LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO LUT School of Energy Systems
Sähkötekniikan koulutusohjelma
Diplomityö Mikko Suhonen
MUUNTAMOKONSEPTI HAJA-ASUTUSALUEELLE
Työn tarkastaja: Prof. Jarmo Partanen Työn ohjaajat: DI Tero Kaipia
TkT Jukka Lassila
6.12.2017
TIIVISTELMÄ
Lappeenrannan teknillinen yliopisto LUT School of Energy Systems Sähkötekniikan koulutusohjelma Mikko Suhonen
Muuntamokonsepti haja-asutusalueelle
Diplomityö, 90 sivua, 52 kuvaa, 8 taulukkoa ja 4 liitettä 2017
Työn tarkastaja: Prof. Jarmo Partanen
Työn ohjaajat: DI Tero Kaipia; TkT Jukka Lassila
Hakusanat: puistomuuntamo, muuntamosuunnittelu, verkostosuunnittelu, muuntamokon- septi, haja-asutusalue, moduulirakenne, yhdenmukaistus
Sähkömarkkinalain tultua voimaan vuonna 2013, maakaapelointi on lisääntynyt sähköver- kon saneeraustekniikkana myös haja-asutusalueilla Suomessa. Maakaapeliverkon puisto- muuntamot ovat usein ulkoa hoidettavia ja moduulirakenteisia, jolloin mm. muuntaja sekä keski- ja pienjännitekeskukset ovat erotettu toisistaan väliseinillä. Työssä on tarkoitus tuoda muuntamosuunnitteluun näkökulma, jossa muuntamo suunnitellaan alusta pitäen moduuleit- tain verkon kokonaisvaltaisten toiminnallisuuksien sekä vähimmäistilantarpeidensa mukai- sesti. Työssä esitetään konsepti, jonka avulla voidaan muodostaa toimintamallit muuntamo- ratkaisuiden valitsemiseen sekä erilaisten muuntamotyyppien yhdenmukaistamiseen.
Muuntamosuunnitteluun voidaan nähdä vaikuttavan strategiset taustat sekä alueelliset ja pai- kalliset lähtökohdat. Mm. muutokset alueen sähkönkäytössä sekä käytössä olevat ratkaisu- mallit tulee linjata ennen suunnittelua. Suunnittelemalla muuntamolle tarkoituksenmukainen sijoituspaikka voidaan saavuttaa kustannushyötyä esimerkiksi muiden muuntamoiden kes- kijännitekeskusten tai lyhempien maakaapelireittien osalta. Työssä havainnollistetaan muuntamon eri moduuliratkaisuiden keskinäisiä vaikutuksia toistensa suunnitteluun. Muun- tamorakenteiden yhdenmukaistuksella on mahdollista saavuttaa kustannushyötyä niiden yk- sikköhinnassa tilatessa samanlaista rakennetta suuri erä. Lisäksi parhaimmillaan sen avulla voidaan esimerkiksi vähentää käyttöönotossa tapahtuvia maastokäyntejä. Yhdenmukaistusta voidaan tehdä mm. muuntamoiden moduulien pohja-alojen sekä suunniteltujen jänniteta- sojen suhteen. On kuitenkin verkkoyhtiön tehtävä päättää, mitkä yhdenmukaistuksista ovat
ABSTRACT
Lappeenranta University of Technology LUT School of Energy Systems
Degree Programme in Electrical Engineering Mikko Suhonen
Concept for secondary substation planning in rural areas Master’s Thesis, 90 pages, 52 figures, 8 tables and 4 appendices 2017
Examiner: Prof. Jarmo Partanen
Supervisors: M.Sc. Tero Kaipia; D.Sc. Jukka Lassila
Keywords: Secondary substation, transformer substation, padmounted transformer, rural area, electrical distribution network planning, module structure, standardization, unifica- tion
Since the adoption of the Finnish Electricity Market Act in 2013, underground cabling has increased as a network renewal technique in Finnish rural areas. The padmounted secondary substations are usually externally operated and modular in structure, so that e.g. MV & LV hubs and transformer are separated from each other with partition walls. The objective of the thesis is to present secondary substation planning in a perspective of designing the substation modularly, where the modules’ minimum sizes are determined by network’s comprehensive functionalities. The thesis presents a concept to create proceeding models for choosing a suitable substation solution and for unifying different substation types.
Strategic decisions as well as local and regional background information can be seen to affect secondary substation planning. Forecasts of regional changes in electricity usage and appli- cable construction methods need to be decided before the design of a substation. Cost bene- fits can be achieved by designing an appropriate location for the substation, through e.g.
shorter cable routes or the equipment of MV hubs in other substations. The thesis demon- strates the mutual dependencies and effects of different module solutions on a substation. By standardizing substation structures it is possible to achieve cost benefits in their unit price when ordering large amounts of similar structure. At best, such unification can also decrease the amount of field visits to the substation before its deployment. Unification can be made within e.g. the base areas and the designed voltage levels of the substations. However, it remains a job for the DSO to decide, which standardization phases are feasible to carry out.
ALKUSANAT
Tämä diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston (LUT) sähkömarkkinalabo- ratoriolle. Työ liittyy laajempaan LUT:n, Järvi-Suomen Energia Oy:n, Kymenlaakson Säh- köverkko Oy:n, PKS Sähkönsiirto Oy:n ja Savon Voima Verkko Oy:n tutkimushankkeeseen
”Haja-asutusalueiden sähköverkko ja sähköasiakas 2030”. Haluan kiittää tutkimuksen osa- puolia mielenkiintoisen aiheen antamisesta, näkemyksien esittämisestä sekä ideoiden nosta- misesta tutkimusta varten.
Lappeenrannan teknillisen yliopiston puolesta haluan kiittää työn tarkastajaa professori Jarmo Partasta, jonka opetus sähköverkkotekniikan osalta on ainutlaatuista ja erittäin laadu- kasta. Yhtä suuret kiitokset haluan myös antaa tutkijaopettaja Jukka Lassilalle ja tutkija Tero Kaipialle kannustavasta ohjauksesta, korvaamattomasta avusta ja kirjoitusvinkeistä työn suhteen. Kiitokset kuuluvat myös muulle laboratorion tutkimushenkilökunnalle vinkeistä ja nautittavasta työskentelyilmapiiristä.
Lisäksi suuret kiitokset kuuluvat myös vanhemmilleni ja läheisilleni kaikesta opintojen ai- kaisesta tuesta, sekä opiskelutovereilleni kaikesta avusta opinnoissa, työelämässä ja elä- mässä ylipäätään. Opiskeluvuodet Lappeenrannassa ovat menneet ohi nopeasti, mutta ovat unohtumattomia ja antaneet eväät työelämään. Nyt on aika uuden.
Lappeenrannassa, 6.12.2017 Mikko Suhonen
SISÄLLYSLUETTELO
1. JOHDANTO ... 9
1.1 Taustaa ... 9
1.2 Työn tavoitteet ja rajaus ... 10
2. SÄHKÖNJAKELUVERKKOJEN SUUNNITTELU JA MUUNTAMOT... 13
2.1 Suunnittelun eri tasot ... 13
2.2 Muuntamosuunnittelu ... 15
2.3 Muuntamo ... 17
2.3.1 Suunnittelu kuormituksen solmupisteenä ... 19
2.3.2 Suunnittelu verkon kytkentäsolmupisteenä ... 19
2.3.3 Mittaukset, automaatio ja tietoliikenne ... 21
2.3.4 Suunnittelua ohjaavia määräyksiä ja ohjeita ... 22
2.4 Suunnittelua ohjaavat muutostekijät ... 23
2.5 Valtakunnallinen kysely Suomen sähköverkkoyhtiöille ... 25
3. TOIMINTAMALLIEN MÄÄRITTELYMETODIIKKA ... 31
3.1 Puistomuuntamon rakenteeseen vaikuttavia asioita ... 33
3.1.1 Sijoituspaikan ja läheisen verkon merkitys ... 33
3.1.2 Muuntajatila ... 34
3.1.3 Hajautettu kompensointi... 35
3.1.4 Keskijänniteverkon kytkinlaitejärjestelyt ... 35
3.1.5 Keskijännitemoduuli ... 41
3.1.6 Pienjännitekeskus ... 42
3.1.7 Tietoliikenneratkaisut ... 42
3.1.8 Vuodenajan vaikutus puistomuuntamon hintaan ... 44
3.2 Muuntamosuunnittelun vaikutus keskijänniteverkon haarautumiseen ... 44
3.3 Muuntamorakenteiden yhdenmukaistus... 47
4. MUUNTAMOKONSEPTI HAJA-ASUTUSALUEELLE ... 52
4.1 Puistomuuntamon suunnitteluketju ... 52
4.1.1 Lähtötietojen selvitys ... 53
4.1.2 Maaston topografian ja verkkotopologian rooli ... 54
4.1.3 Muuntajatilan muodostus ... 55
4.1.4 Kompensointiratkaisuiden muodostus ... 57
4.1.5 Keskijänniteliitäntöjen muodostaminen ... 58
4.1.6 Kytkintoimilaitteiden sijoitus ... 62
4.1.7 Keskijännitemoduulin muodostus ... 64
4.1.8 Pienjännitemoduulin muodostus ... 65
4.1.9 Tietoliikennemoduulin muodostus ... 66
4.2 Suunnitteluohje ... 68
4.3 Puistomuuntamoiden yhdenmukaistusprosessi ... 69
4.3.1 Moduulikokojen yhdenmukaistus ... 70
4.3.2 Sijoitussuunnittelun yhdenmukaistus ... 70
4.3.3 Muuntamoiden yhdenmukaistus jännitetasojen mukaan ... 71
4.3.4 Keskijännitemoduulien sisällön tarkastelu ... 71
4.3.5 Tietoliikenneratkaisuiden yhdenmukaistus ... 72
4.3.6 Muuntajien yhdenmukaistus lukumäärän mukaan... 72
5. MUUNTAMOKONSEPTIN TOIMINTAMALLIEN VERIFIOINTI ... 73
5.1 Esimerkkialue ... 73
5.2 Muuntamosuunnittelu esimerkkialueella ... 74
5.2.1 Esimerkki suunnittelun vaikutuksesta verkon topologiaan ... 75
5.2.2 Muuntamokokojen suunnitteluprosessi ... 78
5.3 Yhdenmukaistusprosessi esimerkkialueella ... 82
6. YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET ... 89
LÄHTEET ... 91 LIITTEET
LIITE I: Valtakunnallinen maakaapeliverkon rakentamiskysely, osa: Puistomuuntamot LIITE II: Erottimen taloudellinen kannattavuus
LIITE III: Muuntamosuunnittelun vaikutus keskijänniteverkon haarautumiseen LIITE IV: Esimerkki muuntamokonseptin suunnitteluketjusta
KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET
A pohja-ala
C, c kustannus
E erotin
H haaroituskaappi
I virta
l pituus
M muuntamo
n lukumäärä
P pätöteho
Q loisteho
p laskentakorkokanta
t aika
alaindeksit
A pohja-ala
ar alaraja
EA erotinasema
ef maasulku-
ek erotinkytkentä
ER erotin
H huolto-
HAK haarajohto
HK haaroituskaappi
HJ haarajohto
INV investointi
K kytkentä-
KAH keskeytyksestä aiheutuva haitta KENNO keskijännitemoduulin kennokojeisto
KJ keskijännitemoduuli
kk kiskoliitäntäkytkentä
kok kokonais-
korj korjaus-
M muuntamo
m2 muuntamon pohja-alan koko
muu erotinvälin ulkopuolinen verkko
muunt muuntaja
MV muuntajan aiheuttama keskeytys
OJA maakaapelioja
pa pitoaika
PV pysyvien keskeytysten PÄÄTE keskijännitepääte
RUK runkojohto
yr yläraja
symbolit
erotus
annuiteettikerroin vikataajuus lyhenteet
AC vaihtovirta
AMR Automatic Meter Reading, automaattinen mittarinluenta ELY Elinkeino-, liikenne- ja ympäristökeskus
GPRS General Packet Radio Service KAH keskeytyksestä aiheutunut haitta KTM Kauppa- ja teollisuusministeriö
KJ keskijännite-
LVDC Low Voltage Direct Current, pienjännitteinen tasasähkönjakelu MRA Maankäyttö- ja rakennusasetus
MRL Maankäyttö- ja rakennuslaki
PJ pienjännite-
PLC Power Line Communications
RakMK Suomen rakentamismääräyskokoelma SF6 rikkiheksafluoridikaasu
SFS Suomen Standardisoimisliitto TEM Työ- ja elinkeinoministeriö VTT Teknologian tutkimuskeskus
1. JOHDANTO
Suomen sähköverkot ovat ennennäkemättömän murroksen kourissa. Sähkömarkkinalain as- tuttua voimaan vuoden 2014 alusta, jakeluverkonhaltijat ovat olleet velvollisia suunnittele- maan, rakentamaan ja ylläpitämään sähköverkkonsa siten, että esimerkiksi myrskyn aiheut- tama mahdollinen suurhäiriö ei aiheuta asemakaava-alueella yli 6 tuntia, ja muualla yli 36 tuntia kestävää keskeytystä. Näiden vaatimusten on täytyttävä jakeluverkonhaltijan vastuu- alueella viimeistään 31. joulukuuta 2028. (Finlex 2013)
Tämä lain ohjaama vaatimustason nosto on johtanut mm. sähköverkon maakaapeloinnin yleistymiseen enenevissä määrin, mikä on saanut jakeluverkonhaltijat etsimään uusia teknii- koita saneerattavan verkkonsa eri vaihtoehtojen elinkaarikustannuksien alentamiseksi. Maa- kaapelointiasteen kasvaessa myös sähköverkon jakelumuuntamoita vaihdetaan perinteisistä pylväsmuuntamoista puistomuuntamoihin. Tähän mennessä puistomuuntamoita on usein kuitenkin toteutettu tapauskohtaisesti ja näin ollen niille on muodostunut räätälöity muunta- moratkaisu. Kaapeloinnin edetessä taajamien ulkopuolelle saneerattavien muuntamoiden määrä kasvaa merkittävästi. Kustannuksissa on nähty säästömahdollisuus, mikäli muunta- movaihtoehtojen lukumäärää voidaan hallitusti rajata ja näin hyötyä edullisimmista yksik- köhinnoista. Muuntamovariaatioiden rajaaminen eli ns. yhdenmukaistaminen vaikuttaa kui- tenkin myös siihen, millaiseksi sähköverkko muodostuu saneerattavalle alueelle ja minkä- laiset toiminnallisuusmahdollisuudet verkolla jatkossa on.
1.1 Taustaa
Diplomityössä etsitään haja-asutusalueiden sähköverkoille soveltuvia menetelmiä muunta- mon tyyppiratkaisun määrittämistä varten. Lähtökohtaa voidaan havainnollistaa kuvan 1.1 mukaisesti sattumanvaraisella joukolla kuormituspisteitä. Tavoitteena on kehittää prosessi- ketju, jolla kuvan kuormituspisteet voidaan yhdistää kustannustehokkaasti pienjännitever- kon ja muuntamon kautta keskijänniteverkkoon. Ratkaisumallissa haetaan elinkaarikustan- nuksiltaan edullisinta vaihtoehtoa huomioiden sähkötekniset reunaehdot (jännitteenale- nemat, vikavirrat ja sähköturvallisuus) sekä alueen lähtökohdat ja ominaispiirteet, mm. ole- massa oleva verkkoinfrastuktuuri ja maaston asettamat reunaehdot. Keskeisimmät kysymyk- set, joihin suunnittelussa on haettava vastaus, on kuinka monta ja minkä tehoisia muunta- moita alueelle sijoitetaan ja millä rakenteella ne toteutetaan (toiminnallisuusvaatimukset).
Kuva 1.1. Periaatteellinen lähtökohta haja-asutusalueen muuntamosuunnitteluun.
Lopullisissa verkkoratkaisuissa merkittäviä tekijöitä tulevat olemaan alueen asiakastiheys, kulutuksen painopiste ja asiakkaan kriittisyys. Asiakasmäärän kasvuennuste tulee vaikutta- maan sähkön kysyntään niin kuin tulevaisuudessa tapahtuvat muutokset ja läpimurrot akku- teknologian, sähköautojen, hajautetun pientuotannon ja kysynnän jouston osalta.
1.2 Työn tavoitteet ja rajaus
Diplomityön tavoitteena on muuntamon tyyppiratkaisun määrittämiseen soveltuvan mene- telmän kehittäminen haja-asutusalueiden sähköverkoille. Tavoitteena on tunnistaa muunta- moiden rakennevalintoihin liittyvät tekijät ja näiden vaikuttavuudet, sekä kehittää konsepti, jonka avulla voidaan muodostaa toimintamallit a) muuntamoratkaisuiden valitsemiseen sekä b) muuntamotyyppien yhdenmukaistamiseen. Konseptin avulla suunnittelija voi valita alu- eelle sopivan/sopivat muuntamot hyödyntäen erilaisia verkosta ja toimintaympäristöstä saa- tavia taustatietoja päätöksenteossaan. Työn tutkimuskysymykset ovat:
1. Mitä taustatietoja verkoista ja toimintaympäristöstä on oltava muuntamosuunnittelua varten?
2. Miten eri tekijät vaikuttavat muuntamorakenteeseen ja -suunnitteluun?
3. Millä periaatteilla voidaan rajata käytettävää muuntamovalikoimaa?
Työ keskittyy haja-asutusalueiden maakaapeliverkkojen puistomuuntamoiden rakennerat-
kaisuihin. Maakaapeloinnin ohella myös ilmajohtoratkaisuiden vaikutus puistomuuntamo- suunnitteluun on pyritty ottamaan huomioon. Muuntamokonseptissa oletetaan, että keski- jänniteverkon topologia ei ole lukkoon lyöty ennen suunnittelua, vaan muuntamosuunnitte- lulla pystytään aidosti vaikuttamaan sen muodostumiseen. Työssä ei varsinaisesti ole tarkoi- tus tarkastella keskijänniteverkkoja (KJ-) enemmän kuin pienjänniteverkkoja (PJ-), mutta muuntamosuunnittelulla on suurempi vaikutus KJ-verkkojen topologiaan ja sen muutoksiin.
Diplomityö liittyy tutkimusprojektiin ”Haja-asutusalueiden sähköverkko ja sähköasiakas 2030”, jonka osapuolina ovat Lappeenrannan teknillinen yliopisto, Järvi-Suomen Energia Oy, Kymenlaakson Sähköverkko Oy, PKS Sähkönsiirto Oy ja Savon Voima Verkko Oy.
Projektissa on tavoitteena etsiä elinkaarikustannustehokkaita ratkaisumalleja, joilla tulevat harvaan asuttujen alueiden verkostosaneeraukset saadaan läpivietyä kustannustehokkaasti varmistaen samalla sähkömarkkinalaissa asetettujen toimitusvarmuustavoitteiden täyttymi- sen 2020-luvulla ja sen jälkeisenä aikana. Tutkimusprojektissa järjestettiin kaksi työpajaa, joissa kerättiin verkkoyhtiöiden käyttökokemuksia puistomuuntamoista. Tämän lisäksi to- teutettiin valtakunnallinen kysely kesällä 2017, johon saatiin vastauksia 15 muulta jakelu- verkonhaltijalta. Lisäksi tutkimusta varten haastateltiin muuntamotoimittajia.
Tutkimusprojekti ja diplomityön kytkeytyminen koko tutkimusprojektiin on esitetty kuvassa 1.2 sekä diplomityön rakenne kuvassa 1.3.
Kuva 1.2. Tutkimusprojekti ja diplomityön kytkeytyminen koko tutkimusprojektiin.
2. SÄHKÖNJAKELUVERKKOJEN SUUNNITTELU JA MUUNTAMOT
Sähkönjakeluverkkojen pitkän aikavälin suunnitteluun kuuluu useita eri osatehtäviä, joista muuntamot ja niiden suunnittelu muodostavat keskeisen osan tästä tarpeesta. Verkostosuun- nittelussa niin kuin muuntamosuunnittelussakin lähtökohdat, tavoitteet ja reunaehdot sane- levat lopullisen ratkaisumallin.
Pitkän aikavälin suunnittelun päätavoite on määrittää verkon optimaaliset kehittämistavat, tarvittavat investoinnit ja niiden ajoitus kokonaishyödyn maksimoimiseksi. Kaikilla suun- nittelutasoilla tulee täyttää asetetut määräykset pitäen samalla elinkaarikustannukset mini- missään. Näin ollen investointikustannusten lisäksi myös käyttö-, keskeytys- ja ylläpitokus- tannukset on huomioitava. Lisäksi on tarkasteltava tulevaisuudessa suunnittelua ohjaavia muutostekijöitä kuten kysynnässä tapahtuvien muutosten sekä rakennusmateriaalien ja ra- kentamistapojen hintojen suhteellista kehittymistä. (Lakervi and Holmes 1995)
Verkon kehittämisvaihtoehtojen järkevyyden ja kannattavuuden arviointia varten on pystyt- tävä määrittämään:
i) Verkkoratkaisuvaihtoehtojen tekniset toteutusmallit ii) Vaihtoehtojen kustannukset
iii) Erityyppisten kustannuksien yhteismitallisuus toisiinsa
Arvioinnin mahdollistamiseksi kaikista verkoston kehittämisvaihtoehdoista on pystyttävä muodostamaan määräykset ja reunaehdot toteuttavat suunnitelmat mm. sähköturvallisuuden ja toimitusvarmuuden näkökulmasta. Kustannuksien määrittäminen perustuu mm. kompo- nenttien yksikköhintoihin ja keskeytyksestä aiheutuneen haitan arviointiin. Kustannuksien vertailu mahdollistetaan esimerkiksi ottamalla investointien annuiteetti keskeytys- ja ylläpi- tokustannuksien vuosiarvojen rinnalle. (Lakervi and Holmes 1995)
2.1 Suunnittelun eri tasot
Muuntamon osalta suunnittelu kulkee yhdessä muun verkon suunnittelun kanssa. Suunnitte- lun vaiheet voidaan jakaa useaan osavaiheeseen kuvan 2.1 mukaisesti. Varsinaiset suunta- viivat siitä, millä periaatteilla ja tavoitteilla sähkönjakeluverkon omaisuuden hallinnasta vas- tataan määräytyvät strategisessa suunnittelussa. Esimerkiksi se, missä määrin jakeluverkkoja kaapeloidaan ja miten tulevaisuudessa tapahtuvat muutostekijät (mm. lämmitystapamuutok- set, pientuotanto ja sähköautot) huomioidaan verkkojen kehittämisessä, määritellään verkos-
tostrategiassa. Yleis- tai verkostosuunnittelussa määritetään lähitulevaisuuden yksittäisiä in- vestointeja strategisia päätöksiä mukaillen. Maastosuunnittelu käsittää tarkan maastoprofii- lin kartoittamisen johtoreitille. Työ- ja rakennesuunnittelu sisältää jokaisen verkon kom- ponentin rakenteellisen suunnittelun ja rakennustöiden aikatauluttamisen. (Lakervi and Hol- mes 1995) (Lakervi ja Partanen 2008)
Kuva 2.1. Sähkönjakeluliiketoiminta omaisuuden hallinnasta verkon ylläpitoon. (Lassila 2009)
Muuntamosuunnitteluun vaikuttaa neljä kokonaisuutta kuvan 2.2 mukaisesti. Yhtiön strategiset taustatiedot sanelevat verkon saneerauksen periaatteet, käytettävissä olevat rakenteet ja ratkaisut sekä näiden roolin. Muut kustannusvaikutteiset taustatiedot määrittävät investointien kannattavuudet ja verkkoratkaisuiden kokonaiskustannukset. Alueelliset (keskijännitelähtö- ja sähköasematason) lähtökohdat vaikuttavat yleissuunnittelutasolla verkon topologian muodostumiseen ja siirtokapasiteettiin. Paikallisten (muuntopiiritason) lähtökohtien vaikutus näkyy maastosuunnittelutasolla, esimerkiksi kuormituspisteiden sijainnin ja vesistöjen läheisyyden määrittämisessä. Näiden muodostamien reunaehtojen perusteella voidaan etsiä paikalliset ratkaisut muuntamoille.
Kuva 2.2. Muuntamosuunnitteluun vaikuttavat kokonaisuudet.
Strategisen suunnittelun tavoitteena on määrittää verkon kehityskohteet ja -tarpeet suunnit- telujakson aikana pääpiirteittäin (Lakervi ja Partanen 2008). Strategiset linjaukset, periaat-
teet ja lähtötiedot, kuten mm. investoinnit, sähköasematarkastelut ja omat toimintavarmuus- kriteerit ovat tämän suunnittelutason keskeisiä asioita. Suunnittelun kohteena on koko jake- luverkko, sillä strategialla on kauaskantoinen vaikutus verkostoon ja omaisuudenhallintaan.
Strateginen suunnittelu tapahtuu lähes poikkeuksetta verkkoyhtiöiden itsensä toimesta (Aminoff et. Al. 2009).
Yleis- ja verkostosuunnittelu käsittää toteutettavan verkkoinvestoinnin määrittämisen tar- kemmin verkon sähköisten määreiden näkökulmasta. Esimerkiksi keski- ja pienjännitejoh- tojen mitoitukset ja jakelumuuntajakokojen valinta kuuluvat tälle tasolle, mutta tarkoitus ei ole vielä lyödä lukkoon maastoon verkolle ehdotonta reittiä pienemmässä mittakaavassa (Lakervi ja Partanen 2008). Lisäksi yleissuunnittelu voi käsittää myös mm. verkon runko- ja korvausyhteyksien valinnan perustuen aiemmin tehtyyn strategiseen suunnitteluun. Tarkem- man määrittelyn vuoksi yleissuunnittelu tapahtuu yleensä sähköasemittain tai keskijännite- lähdöittäin. Verkkoyhtiöt ovat yleensä itse vastuussa yleis- ja verkostosuunnittelustaan, mutta myös näiden toimintojen ulkoistamista esimerkiksi suunnittelutoimistoille käytetään (Aminoff et. Al. 2009).
Maastosuunnittelun tavoitteena on määrittää jakeluverkon tarkka reitti maastossa. Tällä ta- solla tapahtuu yksityiskohtainen linjaus johtojen sijainneista maaston käytettävyyteen perus- tuen, kuten esimerkiksi johtoreittisuunnittelu maasto- ja kalliotietojen perusteella. Lisäksi johtoreittimahdollisuuksista neuvotellaan maanomistajien kanssa (Lakervi ja Partanen 2008). Suunnittelu tapahtuu ylempiä tasoja pienemmässä mittakaavassa, esimerkiksi haara- johdoittain tai muutaman muuntamon väleittäin. Tämä suunnittelutaso on yleistä ulkoistaa ulkopuoliselle palveluntarjoajalle, mutta myös verkkoyhtiöt tekevät itse maastosuunnitte- lunsa. Ulkopuolisena palveluntarjoajana toimii tavallisesti sopimusurakoitsija tai edelleen tämän oma aliurakoitsija (Aminoff et. Al. 2009).
Työ- ja rakennesuunnittelussa mitoitetaan komponentit tarkoille paikoilleen ja tehdään tek- niset piirustukset verkon rakenteista. Lisäksi työ aikataulutetaan ja siihen liittyvät resurssit määritetään (Lakervi ja Partanen 2008). Suunnittelu tapahtuu esimerkiksi muuntamo tai joh- toväli kerrallaan. Maastosuunnittelussa ostopalveluiden käyttö on yleistynyt, mutta myös verkkoyhtiöt pitävät tämän suunnittelutason itsellään. (Aminoff et. Al. 2009).
2.2 Muuntamosuunnittelu
Kaikilla sähköverkon suunnittelun tasoilla on vaikutus muuntamosuunnitteluun. Strategi- sella tasolla määritetään periaatteelliset ratkaisut muuntamon osalta esimerkiksi sitä kautta,
missä määrin haja-asutusalueiden verkkoa saneerataan maan alle ja minkä verran sitä jäte- tään ilmajohdoiksi. Tällä on vaikutusta siihen, missä määrin puistomuuntamoratkaisuja so- velletaan verkon kehittämisessä. Myös esimerkiksi muuntamoiden rooli verkostoautomaati- ossa ja jännitetasot kuten 1000 V ja LVDC (Low Voltage Direct Current, pienjännitteinen tasasähkönjakelu) määräytyvät strategisen suunnittelun tuloksena. Yleissuunnittelutasolla sovelletaan strategisia päätöksiä ja suunnitellaan tätä tukevia muuntamoratkaisuja jakelu- verkkoon. Sijoituskohteessa huomioidaan muuntamon mahdollinen verkkotopologinen rooli (mm. keskijänniteliitäntöjen määrä) sekä valitaan muuntaja(koko)ratkaisuksi kohteeseen so- veltuva malli. Maastosuunnittelussa huomioidaan muuntamon yksityiskohtaisempi sijoitus- paikka ja sen vaatimat mahdolliset erityisjärjestelyt, esimerkiksi maaperän vaatiman lisätäyt- teen tai läheisten vesistöjen takia tapahtuvan siirron. Rakennesuunnittelussa määritetään esi- merkiksi muuntamon seinäpeltien tarkat mitat teknisiin piirustuksiin.
Verkostosuunnittelussa niin kuin muuntamosuunnittelussakin lähtökohdat, tavoitteet ja reu- naehdot sanelevat lopullisen ratkaisumallin. Tarkasteltavan alueenasiakastiheys jakulutuk- sen painopiste ovat merkittävä tekijä verkoston mitoittamisen ja topologian muodostumisen kannalta. Mitä tiheämmin asiakkaiden kulutuspisteet sijaitsevat, sitä helpommin kulutuspis- teet voidaan koota samaan muuntopiiriin. Samalla jakeluverkon kustannukset pysyvät asia- kasta tai siirrettyä energiaa ja tehoa kohden maltillisella tasolla. Vastaavasti erittäin harvaan asutulla alueella saatetaan joutuarakentamaan omat muuntamot ja muuntopiirit yksittäisille asiakkaille.
Nykyisen asiakasmäärän lisäksi myös alueen tulevaisuudenasiakasmäärän kasvuennuste on oleellinen tieto. Alueen asiakasmäärän kasvu tai lasku vaikuttaa suoraan alueen sähkön ky- syntään ja sitä kautta verkon suunnitteluun ja mitoitukseen. Asiakasryhmä sekä asiakkaan kriittisyys voivat olla suunnittelussa merkittäviä tekijöitä. Kriittisten asiakkaiden sijainti alu- eella voi tarkoittaa suuremman toimitusvarmuuden takaamistarvetta näille, mikä voi johtaa suurempiin maakaapelointi-investointeihin esimerkiksi rengasyhteydellisen verkkoraken- teen myötä. Tällainen tarve on mm. kaupungeissa ja asemakaava-alueen alaisissa taajamissa, joita edellä mainittu sähkömarkkinalain kuuden tunnin enimmäiskeskeytysaika koskee.
Alueenmaasto-olosuhteet, esimerkiksimetsäisyys, vesistötja tiestö ovat suunnittelussa huo- mioitavia tekijöitä. Vesistöt ja tiestöt vaikuttavat sekä ilmajohto- että maakaapeliverkon reit- tivalintoihin ja metsäisyys olemassa olevan verkon käyttövarmuuteen. Alueen kaivuuolo- suhteet näkyvät maakaapeloinnin kaivamiskustannuksissa ja sitä myöten kaapeloinnin ylei- sessä kannattavuudessa. Alueen verkonolemassa olevat hyödyntämiskelpoiset rakenteet vai-
kunto ja sijainti. Saneerauskustannuksia saadaan pienennettyä hyödyntämällä olemassa ole- via reittejä, mutta niiden huolto- ja keskeytyskustannukset pohjautuvat merkittävästi raken- teiden ikään ja ilmajohtoverkon tapauksessa edellä mainittuun metsäisyysasteeseen.
2.3 Muuntamo
Muuntamo on jakelumuuntajan, pienjännite- ja keskijännitekojeiston sekä mahdollisen kom- pensoinnin sisältävä kokonaisuus, joka toimii rajapintana verkon eri jännitetasojen välillä kuormituskeskittymissä. Muuntamolla voi olla keskeinen rooli verkon operoinnissa ja ohjat- tavuuden kannalta erilaisten kytkentävaihtoehtojen muodostamisessa. Rakenteensa puolesta muuntamot ovat haja-asutusalueilla perinteisesti olleet pylväsmuuntamoita, jotka asetetaan pylvääseen ilmajohtoverkkoon. Kaupungeissa ja taajamissa sähköverkko on kaapeloitu ja muuntamoista tehty kiinteistö- tai puistomuuntamoita. Nämä sijaitsevat maanpinnan tasolla ja ovat koteloituja rakennelmia. Kaapeloinnin lisääntyessä taajamien ulkopuolella puisto- muuntamoita tarvitaan jatkossa myös haja-asutusalueilla. Kuvassa 2.3 on esitetty esimerkki pylväs- ja puistomuuntamosta.
Kuva 2.3. Pylväs- ja puistomuuntamo (Partanen 2017).
Nykyaikainen puistomuuntamo muodostuu moduuleista, jotka toimivat omina osastoinaan väliseinien rajoittamina. Keskeisimmät moduulit ovat keskijännite-, muuntaja-, pien- jännite-, kompensointi- ja tietoliikennemoduulit. Moduuliratkaisun hyötynä on vakioitujen moduulien käyttäminen erilaisten puistomuuntamoiden rakentamisessa, jolloin muuntamo- tilaukset yhdenmukaistuvat ja tämä voi näkyä myönteisesti muuntamon hankintakustannuk- sissa. Samalla huoltotoimenpiteet voivat yksinkertaistua tai nopeutua kun osastot ovat ero- tettu toisistaan väliseinillä. Muuntamon keskijännitemoduuliin kuuluu rakenneratkaisusta riippuen mm. kisko, kennoja, päätteitä ja erottimia. Muuntajatilan moduuliin sijoitetaan ja-
kelumuuntaja. Pienjännitemoduuliin kuuluu tyypillisesti kisko sekä jonovarokekytkin jokai- selle muuntamon syöttämälle pienjännitelähdölle. Kaapeliverkon puistomuuntamon tyypil- linen sähkötekninen rakenne on esitetty kuvassa 2.4.
Kuva 2.4. Puistomuuntamon sähkötekninen esimerkkirakenne.
Muuntamoiden keskijännitekojeistojen erotinjärjestelyt muodostavat tärkeän osan sähkö- verkkoa ja vaikuttavat omalta osaltaan verkon topologiaan. Muuntamon kennolle vietävälle keskijännitejohdolle tehdään kiskoliitäntä, jonka lisäksi kennolle voidaan asettaa toimilaite kuten erotin tai katkaisija. Yleisimpiä erotintyyppejä ovat kuvan 2.5 mukaisesti linjaerotti- met, muuntajaerottimet, sekä mahdolliset kiskoerottimet. Linjaerottimet voidaan toiminnal- lisuuksiltaan jakaa kuormanerottimiin ja tavallisiin linjaerottimiin. Kuormanerottimet toimi- vat erottimina kahden eri muuntamon välisellä sähkönjakelureitillä ja pystyvät erottamaan kuormitusvirran jännitteiseltä johdolta. Tavalliset linjaerottimet toimivat kuormanerottimien tavoin kahden muuntamon välillä, mutta niitä voidaan käyttää vain jännitteettömänä. Muun- tajaerottimet toimivat erottimina muuntamon KJ-kennojen ja muuntajan välillä. Kiskoerot- timet toimivat erottimina muuntamon kahden eri KJ-kiskon välillä.
Kuva 2.5. Erottimien jakautuminen ryhmiin.
Toimilaitteista muodostuu muuntamoille erotinjärjestelyt, joita voidaan havainnollistaa ku- van 2.6 mukaisesti. Kuvassa erotinjärjestelyt on esitetty muodossalinjaerottimet +muunta- jaerottimet. Muuntamolla voi näiden lisäksi olla myös kiskoliitäntöjä.
Kuva 2.6. Esimerkkejä muuntamoiden erotinjärjestelyistä.
2.3.1 Suunnittelu kuormituksen solmupisteenä
Muuntamosuunnittelun perinteinen filosofia perustuu elinkaarikustannusten minimoimisen lisäksi siirtokapasiteetin maksimoimiseen. Muuntamon keskeinen rooli on nähty kuormituk- sen solmupisteenä jakeluverkossa, jolloin suuri painoarvo on annettu muuntamon keskei- selle sijoittamiselle maastoon kuormitusten näkökulmasta. Tällöin se sijoitetaan muuntopii- rin kuormitusten maantieteellisen painopisteen ja pääasiallisen KJ-johtoreitin väliin niin, että pienjänniteverkon pituus maksimoidaan ja keskijänniteverkon pituus minimoidaan. Tämä optimointi perustuu esimerkiksi sekä PJ-verkon suurimpaan sallittuun jännitteenalenemaan tai vikavirran vähimmäisarvoon. Pienjänniteverkon häviöt ovat kuitenkin huomattavasti suurempia keskijännitteeseen verrattuna. Haja-asutusalueella kuormitus sijoittuu tyypilli- sesti lyhyille haarajohdoille kuvan 2.7 mukaisesti. (Lakervi and Holmes 1995) (Lakervi ja Partanen 2008)
Kuva 2.7. Esimerkki tyypillisestä verkkotopologiasta haja-asutusalueella.
2.3.2 Suunnittelu verkon kytkentäsolmupisteenä
Verkon ohjattavuuden näkökulmasta muuntamo voi olla tärkeä kytkentäpiste etenkin runko- johtojen solmupisteissä. Muuntamolla voi olla rakenteensa ja sijoituspaikkansa kannalta merkittävä vaikutus alueen sähköverkon topologiaan ja sitä kautta kustannuksiin. Hyvällä
muuntamosuunnittelulla voidaan saavuttaa elinkaarikustannuksiltaan tehokas verkkorat- kaisu.
Muuntamosuunnittelun lähtökohdat määräytyvät usein laajemman keskijänniteverkkokoko- naisuuden kehittämistarpeen kautta. Keskijänniteverkon topologiavaatimukset saattavat sa- nella tai rajata muuntamolla sovellettavissa olevat rakenneratkaisut. Mikäli alue on keskei- sen korvausyhteyden varrella, yhteyden tärkeys painottaa reitin luotettavuutta ja näin muun- tamoista voi muodostua erilaisia kuin reitin sijaitessa vähemmän merkittävän rengasyhtey- den tai haarajohdon varressa. Kuvassa 2.8 on havainnollistettu muuntamosuunnittelussa esille tulevaa problematiikkaa. Kuvan alueelle saneerataan sähköverkkoa ja vaihtoehtoina on harkinnassa kolme eri ratkaisumallia (A, B ja C).
Kuva 2.8. Esimerkki muuntamosuunnittelun vaikutuksesta verkkotopologiaan.
Kuvan esimerkissä kuormitusjoukolle M1 voidaan harkita esimerkiksi ratkaisumalleja A, B, ja C, joilla kaikilla on erilainen vaikutus muuntamosuunnitteluun ja sitä kautta verkkotopo- logiaan. Näistä optimaalisimman vaihtoehdon valinta vaatii erilaisten lähtötietojen selvittä- mistä. Kuvassa lähtötieto 1, eli tieto lisäkuormien muodostumisesta tulevaisuudessa esimer- kiksi uusina rantamökkeinä ratkaisumalli A:n varrelle voi tehdä tästä mallista kannattavim- man. Samalla se vähentää keskijänniteliitäntöjen tarvetta muuntamolta M2 ja lisää muunta- molta M4. Tämä voi näin ollen muuttaa muidenkin muuntamoiden rakennetta oleellisesti.
Lähtötietona 2 täytyy olla selvillä alueen rooli laajemmassa yhteydessä. Mikäli johtoreitti toimii runkoverkkoyhteytenä ja jatkuu eteenpäin muuntamolta M4, kasvaa muuntamoiden M2-4 rooli varasyöttötilanteissa. Tämä voi tehdä niistä kriittisempiä ja tarkoittaa esimerkiksi
erilaista erotinjärjestelyä niille. Samalla tämä voi vaikuttaa käytettävissä olevista muunta- movaihtoehdoista riippuen myös muuntamon M1 sähkönjakelun ratkaisumalliin.
Lähtötieto 3 eli maasto-olosuhteet (metsäisyys ja kaivuuolosuhteet) voivat tehdä mistä vain M1:n johtoreitin ratkaisumallista kannattavan. Myös ratkaisumalli C voi tulla kysymykseen, missä asiakkaat M1:n luona syötetään edelliseltä muuntamolta M2. Lähtötieto 4 eli mahdol- liset liittymien purkutoimenpiteet voivat puolestaan tehdä C-ratkaisumallista kannattamat- toman, jos esimerkiksi muuntamon M2 läheinen kulutus poistuu verkosta. Tällöin ei välttä- mättä löydy perusteita sijoittaa muuntamoa paikalle M2, jolloin myös muuntamon M3 ra- kenne voi muuttua. Lisäksi lähtötiedon 5 perusteella voidaan myös tarkastella, mikäli PJ- kulutuksia pystytään syöttämään pienemmältä muuntamomäärältä kuin aiemmin. Esimer- kiksi muuntamon M3 asiakkaiden siirto muuntamon M2 muuntopiirin yhteyteen voi vaikut- taa muuntamolle M1 johtavan reitin ratkaisumalliin. Tällöin muuntamoiden kokonaisluku- määrää alueella pienenee ja näin voidaan säästää muuntamoiden rakentamiskustannuksissa.
Samalla kuitenkin muuntajakokoja voidaan joutua suurentamaan, jännitteenalenemat voivat suurentua niiden pienjänniteverkoissa ja muuntamon KJ-liitäntöjen määrä voi kasvaa.
Kuvan 2.8 kaltainen esimerkki osoittaa, että muuntamoiden KJ-liitäntöjen määrällä voidaan vaikuttaa keskijänniteverkon myönteiseen kehittymiseen. Muuntamo toimii joustavana komponenttina verkkotopologiassa esimerkiksi jättämällä tilavaraus alkutilanteessa tarvitta- vaa suuremmalle määrälle KJ-liitäntöjä suunnitteluvaiheessa tai suunnittelemalla muunta- molle ylimääräinen tyhjä kenno.
2.3.3 Mittaukset, automaatio ja tietoliikenne
Sähköverkkoa mitataan sen toimivuuden varmistumiseksi ja kulutusten määrittämiseksi.
Nykyaikaiset mittalaitteet ovat automatisoituja ja vaativat erilaisia tietoliikenneratkaisuita.
Perinteisesti mittaustietoa on kerätty pääasiassa vain sähköasemilta ja kuluttajien AMR-mit- tareilta (Automatic Meter Reading, automaattinen mittarinluenta). Jakelumuuntamoihin kohdistuessa enenevissä määrin odotuksia mm. niiden ohjattavuuden kannalta, kasvavat pe- rusteet lisääntyneelle muuntamoautomaatiolle.
Jakelumuuntamon keskeisimpiä mittauksen ja automaation tarpeita voivat olla esimerkiksi muuntamon kytkinten kauko-ohjaus ja kytkentätilatieto, verkon jännitteiden ja virtojen mit- taus ja edellä mainittu kuormitustiedonsiirto. Muuntamoautomaatiosta voi olla suuri hyöty myös tarkemmassa vianpaikannuksen tukemisessa. Esimerkiksi maakaapelilla vikaa ei voi silmällä havaita samalla tavalla kuin ilmajohdolla. Etenkin vian suunta- ja etäisyystiedon havaitseminen muuntamotasolla voi lyhentää keskeytyksistä aiheutuvaa haittaa. Muuntamon
sisälämpötilan tai muuntajakoneen lämpötilan mittaus ja siihen yhdistetty automaattinen tuulettimen ohjaus voivat pidentää muuntajan elinikää. (Kauppi 2014)
Muuntamon ja ylemmän luentajärjestelmän väliset tietoliikenneyhteydet ovat haja-asutus- alueilla pitkien tiedonsiirtomatkojen vuoksi usein matkapuhelin- tai radioverkkoyhteyksiä, esimerkiksi GPRS- (General Packet Radio Service) tai 3G-yhteyksiä. Muita mahdollisuuksia tietoliikenneyhteydelle voivat olla esimerkiksi PLC (Power Line Communications) ja valo- kuituyhteys. Yhteisrakentamislain (Finlex 2016) astuttua voimaan on noussut esille ajatus sähköverkkoyhtiöiden ja teleoperaattorien yhteistyöstä kaapeloinnin ohella myös tiedonsiir- topisteiden sijoituksessa. Yksi tulevaisuuden kysymys on, mikäli puistomuuntamoille halu- taan varata jonkinlainen tila teleoperaattorien laitteistoja varten ja mikäli operaattoreilla on tähän halua vaarantamatta omia liikesalaisuuksiaan.
2.3.4 Suunnittelua ohjaavia määräyksiä ja ohjeita
Verkkoyhtiöiden eri tarpeiden lisäksi muuntamorakenteen suunnittelua ohjaa joukko stan- dardeja ja määräyksiä, jotka asettavat minimivaatimukset muuntamolle. Energiateollisuuden julkaisema verkostosuositus RM 3:16 (Energiateollisuus 2016) ottaa kantaa lainsäädäntöön ja ohjeisiin, joita noudattamalla verkonhaltijan jakelumuuntamosta tulee määräykset täyt- tävä. Verkostosuosituksen ohjeistama ajantasainen sähkötekninen ja rakennuksia koskeva lainsäädäntö käsittää seuraavat määräykset.
Sähköturvallisuuslaki 410/1996 Sähköturvallisuusasetus 498/1996 KTM/TEMp Sähköalan työt 516/1996
KTM/TEMp Sähkölaitteistojen käyttöönotto ja käyttö 517/1996 KTM/TEMp Sähkölaitteistojen turvallisuus 1193/1999
MRL maankäyttö- ja rakennuslaki 132/1999, 28/2016 MRA maankäyttö- ja rakennusasetus 895/1999, 119/2016 RakMK Suomen rakentamismääräyskokoelma osa E1 / 2011 RakMK Suomen rakentamismääräyskokoelma osa E7 / 2004
Määräysten lisäksi alla esitetyissä standardeissa on muuntamoita koskevia ohjeita, joita nou- dattamalla määräykset tulevat täytetyksi. (Energiateollisuus 2016)
SFS 6000 Pienjännitesähköasennukset
SFS-EN 61439 Pienjännitekeskukset, Osa 1: Yleiset vaatimukset SFS-EN 61439 Pienjännitekeskukset, Osa 5: Jakeluverkkokeskukset SFS-EN 62271–202 Tehdasvalmisteiset jakelumuuntamot
SFS 6001 Suurjännitesähköasennukset SFS 6002 Sähkötyöturvallisuus
2.4 Suunnittelua ohjaavat muutostekijät
Verkon kokonaisvaltaisen suunnittelun ohessa, tulevaisuuden muutostekijöiden osalta pitää pystyä määrittelemään, miten ne tulevat vaikuttamaan jakeluverkkojen suunnitteluun.
Yleensä ottaen, tulevaisuuden tarkastelu ja siellä tapahtuvien asioiden ennakointi vaikuttaa muuntamosuunnitteluun erityisesti toimitusvarmuuden ja siirtokapasiteetin näkökulmasta.
Verkostoratkaisujen tulee olla joustavia nopeille muutoksille ja nykyisille epävarmuusteki- jöille. Muun muassa Verkkovisio 2030 (VTT 2006) listaa suurimmiksi vaikuttajiksi luon- nollisesti verkkoliiketoiminnan valvonnan sekä energian määrän ja siirron hinnan kehityk- sen sähkönjakelussa. Myös verkkojen omistuksen muutokset ja omistajapolitiikka ovat mer- kittäviä epävarmuustekijöitä. Suuressa mittakaavassa suunnittelua ohjaavia tekijöitä ovat energiapoliittinen paine tai päätökset. Euroopan Unionin direktiivit ja valtion päätökset vai- kuttavat strategisella suunnittelutasolla verkon omaisuuden hallintaan. Esimerkiksi sähkö- markkinalaki (Finlex 2013) on kiristänyt verkkoyhtiöiden toimitusvarmuuskriteereitä ja osaltaan vaikuttanut strategian valintaan. Myös omistajapolitiikka vaikuttaa suuressa mitta- kaavassa suunnitteluun. Esimerkiksi kunnallisessa omistuksessa olevan verkkoyhtiön tavoit- teet voivat olla erilaiset kuin sijoitusyhtiöiden omistamissa verkkoyhtiöissä. Osalla yhtiöistä voi olla tavoitteenaan pääasiassa tarvittavien investointien tekeminen ja osalla Energiaviras- ton asettaman valvontamallin maksimihyödynnys.
Muuntamoille voi valikoitua toisenlainen rakenne tai verkko voidaan rakentaa toista reittiä, jos suunnittelualueen kuormitusprofiilin tiedetään muuttuvan tai tiestön tiedetään kehittyvän myöhemmin toisenlaiseksi. Esimerkiksi verkon häviöiden arvostuksen noustessa tai muun- tamoiden hintojen laskiessa, voidaan nähdä kuluttajien määrän laskevan per muuntamo, muuntamoiden määrän lisääntyvän ja rakennettavan entistä lähemmäksi kuluttajia sekä haa- ramuuntamoiden määrän yleistyvän.
Nykyisin käytettävän tekniikan kehittyminen vaikuttaa suunnittelun strategisen tason lisäksi verkon käytön tasolla. Maakaapeliverkon lisääntyminen nostaa tarvetta hajautettujen maa- sulkuvirran ja loistehon kompensointiratkaisuiden kehittymiselle. Kiristyneet toimitusvar- muuskriteerit luovat myös kannustimen muuntamoautomaation tarpeelle verkon nopean oh- jattavuuden näkökulmasta. Tietoliikenneratkaisuiden kehittyessä myös kuormitustiedon- siirto nopeutuu. Ilmastonmuutoksella on suuri rooli verkkojen kehittymisessä, sillä lisäänty- vät sään ääri-ilmiöt kasvattavat pysyvien vikojen vikataajuutta ja todennäköisyyttä suurhäi- riöihin. Ympäristökysymykset ja -vaatimukset, kuten maisema-arvojen korostuminen ja kyl- lästysaineiden käytölle asetetut rajoitukset täytyy ottaa huomioon. Myös muu materiaalitek- niikka (esim. suprajohteet) voi kehittyä erittäin nopeasti. Tehoelektroniikan hyödyntäminen uusissa verkostokomponenteissa (esim. LVDC-jakelu) voi muodostaa kustannustehokkaita ratkaisuja verkkotopologiaan.
Tekniikan ja toteutuksen osalta suunnitteluun vaikuttavat myös mahdolliset uudet läpimurrot teknologiassa ja uudet innovaatiot. Suunnittelualueelle rakennettavan hajautetun pientuotan- non mahdollisuus on huomioitava siltä varalta, että muuntamorakenteita voidaan joutua mi- toittamaan muilla periaatteilla kuin aiemmin. Hajautettu tuotanto käsittää tällä hetkellä ylei- simmin aurinkosähkötuotannon integroinnin sähköverkkoon ja tuotantosähkön siirtämisen pienjänniteverkkoon muille muuntopiirin kulutuspaikoille tai jakelumuuntamon läpi keski- jänniteverkkoon. Näin ollen säteittäisesti syötetyssä jakeluverkossa voi tulevaisuudessa muodostua uusia sähkönsyöttösuuntia pientuotannon yleistyessä yhä enemmän. Aurinkosäh- kötuotannon huipputeho saavutetaan Suomen tasolla touko-elokuussa, joten sillä ei ole vai- kutusta yleisesti ottaen verkon kuormittumiseen eli talviajan huipputehoihin. Jatkossa on kuitenkin syytä tarkastella aurinkosähkötuotannon lisääntyessä, mikäli kesän aurinkoisten päivien synnyttämä huipputuotanto kasvaa niin suureksi, että ne voivat nousta mitoittavaksi tekijäksi sähköverkolle. Jakelumuuntamoiden tapauksessa tämä voi vaikuttaa muuntajako- neen mitoitukseen.
Aurinkovoiman huipputuotannon ja kulutuksen huipputehon ajankohtien eroavaisuus voi li- sätä tarvetta varastoida energiaa käytettäväksi huipputehon aikaan. Esimerkiksi akkutekno- logian kehittyessä energiavarastot voivat olla tulevaisuuden keskeinen ratkaisu uusiutuvan energiantuotannon varastoimisessa. Sähköautojen yleistyminen lisää sähkönkäyttöä ja mah- dollisesti myös kulutuksen tehopiikkejä. Kysynnän joustolla ja kuormanohjauksella voidaan siirtää kulutuksen ajankohtaa ja näin pienentää piikkejä.
2.5 Valtakunnallinen kysely Suomen sähköverkkoyhtiöille
Sähkömarkkinalain toimeenpanon jälkeen v. 2013 (Finlex 2013), sähköverkkoalalla on ollut huomattava kasvu maakaapeliverkon rakentamisessa johtuen tiukentuneista toimitusvar- muuskriteereistä. Diplomityön aikana kesällä 2017 toteutettiin laaja valtakunnallinen kysely maakaapeliverkon rakentamisesta, jotta voitaisiin kartoittaa mm. verkon hankintaketjun, verkon tekniikan ja toiminnallisuuksien nykytilannetta sekä niiden haasteita valtakunnalli- sesti. Kyselyn perusteella pyrittiin selvittämään diplomityötä varten mm. puistomuuntamoi- den toiminnallisuuksiin ja mittoihin vaikuttavia asioita muiden jakeluverkkoyhtiöiden näkö- kulmista. Kyselyn pääteemat jaettiin seitsemään kategoriaan:
1) Maakaapelointi osana jakeluverkon kehittämistä
2) Maakaapeliverkon rakentamisprojekti ja sen hankintaketju 3) Puistomuuntamot ja hajautetun kompensoinnin yksiköt 4) Maakaapeliverkon rakentaminen
5) Verkostoautomaatio
6) Verkon kehittämistekniikat 7) Pienjännitteinen tasasähkönjakelu
Kysely lähetettiin kaikille jakeluverkonhaltijoille, joista 15 yhtiötä vastasi kyselyyn tutki- mushankkeessa mukana olleiden neljän yhtiön lisäksi. Vastauksien perusteella voidaan sa- noa, että yhtiöt näkevät puistomuuntamot tällä hetkellä vaihtelevassa roolissa osana tulevai- suuden verkkoratkaisuja. Muuntamon keskijännitepuolen ratkaisussa halutaan varautua ren- gasyhteyteen ja etäohjattavuuteen, mutta yhtiöt eivät laita tällä hetkellä suurta painoarvoa erillisille mittauksille tai muuntajakoneen kunnonvalvonnalle. Muuntamon pienjännitepuo- lella taas varaudutaan verkon laajennettavuuteen, mutta automaatioratkaisuille ei nähdä tar- vetta.
Puistomuuntamo-kategoriassa vastaajia pyydettiin mm. nimeämään käyttämiään keskijänni- tekojeistojen kennostorakenteita taajama-alueilla sekä haja-asutusalueiden runko- ja haara- johdoilla (LIITE I). Vastausten analysoinnissa erotinratkaisut on esitetty muodossa linja- erottimet + muuntajaerottimet (+ kiskoliitännät, jos mainittu). On huomattava, että vastauk- sista muodostui kysymyksen laajuuden takia monimuotoisia, ja näin ollen osa vastaajista ilmoitti erotinjärjestelynsä eri tavoin. Vastausten lisäksi analysoitiin kuinka suoraan nimetyt ratkaisut (esim. 2+0) soveltuvat vastaajien omiin muuntamosuunnitteluperiaatteisiin.
Taajama-alueella kyselyn vastauksista 3+1 -muuntamoratkaisut nousivat suosituimmaksi
muuntamovaihtoehdoksi. Vastaajista 63 % ilmoitti suoraan käyttävänsä kyseistä ratkaisua.
Tämän lisäksi ratkaisu soveltuu melkein kaikkien vastaajien suunnitteluperiaatteisiin (94 %).
Johtuen taajama- ja asemakaava-alueiden tiukemmasta toimintavarmuuskriteeristä, myös muut kahden tai useamman erottimen muuntamovaihtoehdot ovat suosittuja. Muuntajaerotin kuuluu keskeisenä komponenttina muuntamoratkaisuun taajama-alueella.
Vastausten perusteella mahdollinen yleisperiaate vastaajien taajama-alueilla voi olla sijoittaa jokaiselle muuntamon kennolle erotin, jolloin muuntamoille ei jää yhtään kiskoliitäntää. Ti- heällä erotintaajuudella mahdollinen maakaapeliverkon vika saadaan rajattua pienemmälle alueelle ja asiakasmäärälle jopa niin, että yhdenkään muuntamon sähkönjakelu ei keskeydy erottimen avaamiseen kuluvaa aikaa pidemmäksi. Samalla tämä pienentää KAH-kustan- nusta (keskeytyksestä aiheutunut haitta), joka voi nousta etenkin taajama-alueille hyvin suu- reksi jo lyhytaikaisillakin katkoilla. Lisäksi monihaaraisista muuntamoratkaisuista on use- ammin verkkotopologista hyötyä taajama-alueilla kuin haja-asutusalueilla, johtuen taaja- mien jakelumuuntamoiden suuremmasta sijoitustiheydestä neliökilometriä kohden. Vas- tauksista kootut taajama-alueen runkojohdolle yleisimmät muuntamoratkaisutyypit on esi- tetty taulukossa 2.1.
Taulukko 2.1. Taajama-alueiden erotinratkaisut valtakunnallisen kyselyn perusteella (otos 16 yhtiötä).
Muuntamon
erotinratkaisu Käytössä nykyisin
[lkm ja %] Soveltuu suunnittelu-
periaatteisiin [lkm ja %]
12,5 18,8
1 6,3 12,5
6,3 12,5
12,5 31,3
37,5 56,3
10 62,5 15 93,8
18,8 37,5
18,8 25,0
Haja-asutusalueiden runkojohdoille on ominaista haarajohtoja suurempi erotintaajuus tär- keistä korvaus- ja varayhteyksistä johtuen. Tämä näkyy vastauksissa monihaaraisten muun- tamoratkaisuiden korkeana käyttöasteena. Myös yhden erottimen rakenteet ovat yleisiä.
Vastauksista voidaan päätellä ainakin neljänlaisia suunnitteluperiaatteita haja-asutusalueen runkojohdoille. Yhden erottimen rakenteet voivat viitata suunnitteluperiaatteeseen, jonka mukaan rengasyhteydellä oleville jakelumuuntamoille sijoitetaan jokaiselle erotin syötettä-
vään verkonsuuntaan päin. Toisessa suunnitteluperiaatteessa joka toiselle jakelumuunta- molle sijoitetaan kaksi tai useampi erotin, kun taas joka toinen jakelumuuntamo on erotti- meton kevyt puistomuuntamo. Lisäksi mahdollinen on myös vaihtoehto, joissa jokaisen muuntamon jokaisella kennolla on erotin, tai toisaalta vaihtoehto, jossa millään muuntamon kennolla ei ole erotinta.
Merkittävä osa lähdön kuormitustehosta kulkee runkojohtojen läpi. Niillä aiheutuvat pysyvät viat voivat pahimmillaan aiheuttaa KAH-kustannuksia monelle eri haarajohdolle, mikäli va- rayhteyksiä ei ole käytettävissä. Näin ollen suuri erotintiheys on tyypillistä haja-asutusalu- een runkojohtojen muuntamoille. Vastauksista kootut haja-asutusalueen runkojohdolle ylei- simmät muuntamoratkaisutyypit on esitetty taulukossa 2.2.
Taulukko 2.2. Haja-asutusalueiden runkojohtojen erotinratkaisut valtakunnallisen kyselyn perusteella (otos 16 yhtiötä).
Muuntamon
erotinratkaisu Käytössä nykyisin
[lkm ja %] Soveltuu suunnittelu-
periaatteisiin [lkm ja %]
12,5 25,0
1 12,5 31,3
12,5 37,5
6,3 43,8
6,3 43,8
6,3 37,5
6,3 25,0
43,8 11 68,8
43,8 11 68,8
12,5 37,5
6,3 31,3
Haja-asutusalueen haarajohdolla erotintiheys on usein muita verkonosia harvempaa, johtuen sen varayhteyksien vähemmästä määrästä tai pienemmän tehontarpeen maltillisemmasta KAH-kustannuksesta. Myös haarajohdoilla käytetään 2+1 ja 3+1 -rakenteita, mutta erotti- mettomien satelliittimuuntamoiden osuus on myös huomattava. Vastauksista voi päätellä, että haarajohdon päättyvät muuntamot ovat osalla vastaajista erottimettomia ja KJ-keskuk- settomia malleja.
Vastausten perusteella haarajohtojen erotintiheydet näyttävät vaihtelevan suuresti vastaajien kesken, mikä on toisaalta loogista johtuen haarajohtojen eroavaisuuksista. Haarojen pituus
voi vaikuttaa siihen suuresti, sillä lyhyille muutaman sadan metrin pituisille haarajohdoille ei välttämättä ole yhtä vankkoja perusteita asettaa erotinta kuin kilometrien pituiselle haara- johdolle. Lisäksi muuntamotaajuudella on suuri vaikutus, sillä osalla haarajohdoista voi si- jaita useampia muuntamoita ja osalla vain yksi. Vastauksista kootut haja-asutusalueen run- kojohdolle verkkoyhtiöiden yleisimmät muuntamoratkaisutyypit on esitetty taulukossa 2.3.
Taulukko 2.3. Haja-asutusalueiden haarajohtojen erotinratkaisut valtakunnallisen kyselyn perusteella (otos 15 yhtiötä).
Muuntamon
erotinratkaisu Käytössä nykyisin
[lkm ja %] Soveltuu suunnittelu-
periaatteisiin [lkm ja %]
33,3 53,3
1 33,3 53,3
6,7 46,7
20,0 33,3
13,3 40,0
6,7 40,0
13,3 26,7
40,0 60,0
33,3 53,3
6,7 26,7
6,7 26,7
Kokonaisuudessaan voidaan huomata, että mitä kauemmas taajamasta siirrytään haja-asu- tusalueiden lähtöjen päihin, erottimien määrä per jakelumuuntamo vähenee. Kyselyyn vas- tanneista verkkoyhtiöistä tähän kysymykseen vastasi 16 yhtiötä, joiden keskimääräinen (ko- konaisjohtopituuksilla painotettu) KJ-maakaapelointiaste on 11,2 % koko keskijännitesäh- köverkon pituudestaan. Tämän lisäksi vastaajien yhteenlaskettu jakelumuuntamoiden luku- määrä kattaa 37 % koko valtakunnallisesta jakelumuuntamoiden lukumäärästä.
Jakeluverkonhaltijoita pyydettiin antamaan näkemyksensä puistomuuntamon komponent- tien merkityksestä taulukon 2.4 komponenttien ja kuvassa 2.9 esitetyn nelikentän osalta. Si- joittaminen tuli tehdä komponentin esiintymistodennäköisyyden perusteella, sekä kom- ponentin vaikuttavuuteen muuntamon käytettävyydessä tai verkkotopologiassa (LIITE I).
Kyselyyn vastanneista verkkoyhtiöistä tähän kysymykseen vastasi 13 yhtiötä.
Taulukko 2.4. Kuvaan 2.9 sijoitetut muuntamokomponentit.
1. Keskijännitekennokojeisto 9. PJ-verkon jännite- ja virtamittauksia 2. Kauko-ohjattavat erottimet 10. Jakelumuuntajan kunnonvalvontaa 3. Katkaisijakojeisto 11. PJ-katkaisijoita
4. Tilavaraus KJ-kennon lisäämiseksi 12. Varalla oleva jonovarokekytkin 5. Kalustamaton KJ-varakenno 13. Teletila/kuitutila
6. Kalustettu KJ-varakenno 14. AMR-keskitin
7. Vianilmaisimia 15. AMR-summamittari
8. KJ-verkon jännite- ja virtamíttauksia
Kuva 2.9. Komponenttien esiintymisen todennäköisyys puistomuuntamolla ja vaikutus tämän käytet- tävyyteen (otos 13 yhtiötä).
Vastausten perusteella eniten puistomuuntamon käytettävyyteen vaikuttavat komponentit ovat keskijännitekennokojeisto, kauko-ohjattavat erottimet ja katkaisijakojeisto. Kuormitus- tiedonsiirrossa käytettäviä AMR-keskittimiä ja AMR-summamittareita ei juurikaan käytetä
puistomuuntamoilla eivätkä ne vaikuta muuntamon käytettävyyteen. Kaikilla muilla maini- tuilla komponenteilla on maltillinen käytettävyysvaikutus muuntamoon.
Esiintyvyyden näkökulmasta pienjännitekiskoon asennettavat varalla olevat jonovarokekyt- kimet ovat yleisiä. Kuormitustiedonsiirron laitteiden lisäksi vianilmaisimien määrä sekä ja- kelumuuntajan kunnonvalvonta on vähäistä muuntamoilla. Pienjännitekatkaisijoiden vähäi- nen esiintyvyys voi tarkoittaa KJ-muuntajaerottimien runsaampaa esiintymistä per muun- tamo, kuten keskijännitekojeistojen kennostorakenteiden tunnistamisessa kävi edellä ilmi.
3. TOIMINTAMALLIEN MÄÄRITTELYMETODIIKKA
Työn tavoitteena on muodostaa muuntamokonsepti, jonka toimintamallien avulla pystytään määrittelemään haja-asutusalueille soveltuvat muuntamoratkaisut. Työn toisena tavoitteena on osoittaa hallittu muuntamoiden yhdenmukaistaminen ja muuntamovariaatioiden luku- määrän pienentäminen.
Muuntamosuunnittelussa tulee huomioida erilaiset lähtökohdat mm. muuntamon sijoitusym- päristön ja alueen sähkönjakelulle asetettujen odotusarvojen suhteen. Konseptin toiminta- malleilla määritetään muuntamovariaatioiden määrä, muuntamoiden toiminnallisuudet ja muuntamon fyysiset mitat. Näiden avulla muodostuva muuntamovariaatioiden määrä perus- tuu teknistaloudellisiin tarkasteluihin. Tarkasteluissa huomioidaan eri muuntamorakentei- den investointi- ja käyttökustannukset sekä rakennevalintoihin (mm. kytkinlaitevalinnat) liittyvät keskeytyskustannukset. Työssä esitetty konsepti pohjautuu eri tekijöiden, reunaeh- tojen ja rakennevalintojen välisien riippuvuuksien tunnistamiseen. Riippuvuuksia on esitetty prosessikaavioiden avulla. Muuntamovariaatioiden lukumäärän pienentäminen perustuu taustatekijöiden tunnistamiseen ja niiden vaikuttavuuden arviointiin. Tässä luvussa esitetään lopullisia päätöksentekokaavioita ja yhdenmukaistamisprosessia varten laadittua laskenta- ja arviointimetodiikkaa.
Puistomuuntamo voi olla rakenteeltaan yksinkertainen yhdestä tilasta muodostuva koko- naisuus tai se voi muodostua useista moduuleista. Moduulit toimivat omina osastoinaan vä- liseinien rajoittamina. Moduuliratkaisun idea perustuu ajatukseen voida rakentaa erilaisia puistomuuntamoita vakioiduista moduuleista. Muuntamovariaatioiden nykyinen määrä voi yhtiöstä riippuen vaihdella muutamasta rakenneratkaisusta kymmeniin eri rakennevaihtoeh- toihin. Variaatioiden suuri määrä helpottaa kuhunkin kohteeseen juuri sopivan muuntamo- tyypin valintaa, mutta hankaloittaa muilla tavoin verkon rakentamista, käyttöönottoa ja käyt- töä.
Muuntamotilan moduulit voidaan suunnitella liitettäväksi yhteen eri tavoin esimerkiksi ku- van 3.1 esimerkin mukaisesti. Yleisimmät jakelumuuntamolle liitettävät moduulit ovat kes- kijännitekeskus (KJ), muuntajatila (M) sekä pienjännitekeskus (PJ). Tämän lisäksi oma mo- duulitila voidaan suunnitella esimerkiksi erillisen hajautetun kompensoinnin yksikölle (KOMP) tai tietoliikennelaitteistolle (TL). Muuntamot suunnitellaan pohja-alaltaan suora- kulmaisen muotoisiksi, jolloin tavallinen tapa on liittää moduulit pitkittäin (A) tai rinnakkain (B). Sijoitussuunnittelua silmällä pitäen, eri moduulit ovat usein erikokoisia eivätkä näin ollen vaadi yhtä suurta muuntamon leveyttä toisiinsa nähden, joten levein moduulin osa
määrittää samalla muuntamon kokonaisleveyden ja -syvyyden. Tällöin muiden moduulien kokoa kasvatetaan ja ne suunnitellaan yhtä leveiksi tai syviksi, vaikka ne eivät toiminnalli- suuksien näkökulmasta tarvitsisikaan aivan yhtä paljoa pohja-alaa.
Kuva 3.1 Esimerkki muuntamon pohja-alan tilojen jakamiseen moduuleittain.
Tätä diplomityötä varten haastatellut muuntamotoimittajat näkivät suorakulmaisen muotoi- set muuntamokoppiratkaisut muun muotoisia ratkaisuja järkevimmiksi. Useamman kuin nel- jän kulman koppiratkaisun hintaa nostaa ylimääräinen seinäpeltien profilointi ja mahdolli- nen erikoismuotoinen kattorakenne, jotka mitätöivät pohja-alassa mahdollisesti saavutetta- vissa olevan kustannussäästön (Elkamo 2017b; Norelco 2017b). Kuvan 3.2 A-vaihtoehto on esimerkki yli neljän kulman koppiratkaisusta. Vaihtoehdossa A moduulit ovat kooltaan vä- himmäismittoja noudattavia. Vaihtoehdossa B kapeampien keski- ja pienjännitemoduulien leveyttä on kasvatettu muuntamotilan kokoa vastaavaksi ja näin muuntamosta on saatu suo- rakulmion muotoinen.
Kuva 3.2. Esimerkki muuntamon moduulien pohja-alan kasvattamisesta.
3.1 Puistomuuntamon rakenteeseen vaikuttavia asioita
Puistomuuntamon rakenteeseen vaikuttaa erilaisia asioita riippuen esimerkiksi muuntamon sijoituspaikasta, verkkotopologiasta ja moduulien tilantarpeesta. Lähellä kuormituskeskitty- miä muuntamon rakenne voi määräytyä kaavoituksen ja huipputehon perusteella. Haja-asu- tusalueella topografia ja verkkotopologia voivat olla merkittävämpiä muuntamon muotoon vaikuttavia asioita. Myös perinteisestä 400 V jännitteestä poikkeavien pienjänniteratkaisui- den (1 kV ja LVDC) sekä muuntamoiden kytkintoimilaitteiden järjestelyiden merkitys ko- rostuu muuntamorakenteen valinnassa.
3.1.1 Sijoituspaikan ja läheisen verkon merkitys
Muuntamon sijoituspaikalla on merkittävä vaikutus puistomuuntamon rakenteeseen. Lähtö- tietoina on tiedostettava suunniteltavan alueen merkitys laajemmassa yhteydessä. Yksittäistä muuntamoa ja verkkoaluetta ei ole tarkoituksenmukaista suunnitella tiedostamatta laajem- min aluetta koskevia odotusarvoja sähkönjakelulle. Rakenteeseen vaikuttaa esimerkiksi se, sijoittuuko muuntamo runko- vai haarajohdolle. Runkojohdolla muuntamolle voi kohdistua toimitusvarmuuden näkökulmasta suurempi odotusarvo kuin mitä haarajohdolle sijoittuvalle muuntamolle osoitetaan. Tämä voi näkyä esimerkiksi kauko-ohjausmahdollisuuksien ti- heämpänä esiintymisenä runkojohtomuuntamoilla, kun taas haarajohtojen muuntamoilla voi olla väljemmät kriteerit toimitusvarmuudelle.
Komponenttien pitkistä pitoajoista johtuen, tulevaisuuden muutostekijät pitäisi pystyä huo- mioimaan suunnitteluratkaisuissa. Epävarmuus esimerkiksi alueen yleisessä kehittymisessä voi näyttäytyä muuntajakoneen ylimitoituksena. Suunnittelua seuraavien 20–40 vuoden ai- kana tapahtuvien muutosten voimakkuudella ja vaikutustavalla voi olla merkittävä rooli ver- kon muodostumisessa. Suunnittelussa oleva johtoreitti voi muodostua vähemmän kannatta- vaksi, mikäli esimerkiksi alueen sähkönkäytössä tapahtuvia muutoksia ei onnistuta arvioi- maan realistisesti (esimerkiksi liittymien irtisanomiset tai uudet kaavoitukset). Kannattavuu- den laskiessa vaikutus voi ulottua edelleen alueen muuntamovalintaan, etenkin muuntajan ja pienjännitekeskuksen koon sekä tarvittavien keskijänniteliitäntöjen määrän kautta.
Kun muuntamo sijoitetaan pohjavesialueelle, tarvitaan erikoisjärjestelyjä mahdollisten öljy- vuotovahinkojen estämiseksi. Tällöin muuntamolle on esimerkiksi sijoitettava öljykaukalo, jonka tilavuus mitoitetaan muuntajan öljymäärän mukaisesti. Öljykaukalot ovat yleistyneet siinä määrin, että useat muuntamovalmistajat sijoittavat kaukalon jokaiselle valmistamalleen muuntamolle riippumatta sen sijoituspaikasta. Pohjavesialueen muuntamolle voidaan myös
sijoittaa öljyeristeisen muuntajan sijasta valuhartsieristeinen kuivamuuntaja, joka on öljy- eristeistä muuntajaa kalliimpi sekä kookkaampi. Sijoituspaikan maastolla on tärkeä rooli ra- kenteen valinnassa. Muuntamon asennuskorkeutta voi olla syytä nostaa, mikäli muuntamon välittömässä läheisyydessä on vesistöjä, joista vesi voi tulvia muuntamon läheisyyteen. Li- säksi on syytä huomioida ja pyrkiä välttämään sijoittamasta muuntamoa merkittävien kor- keuserojen lähimaastoon, joiden takia valumisvedet voivat virrata muuntamolle. Maaston muodot ja etenkin korkeuserot voivat muodostaa muita erityisjärjestelytarpeita muuntamon sijoittamiselle. Muuntamoa ei ole välttämättä järkevää sijoittaa rinteeseen, sillä sen perus- tuksien rakentamisen kustannukset voivat nousta suuremmiksi kuin tasaisemmalla maalla.
Viankorjauksen ja huoltotoimenpiteiden nopeuttamiseksi, muuntamon sijoituspaikalle joh- tavan kulkureitin tulisi olla helppopääsyinen. Sijoittaessa muuntamoa esimerkiksi autotien tai muun liikenneinfrastruktuurin läheisyyteen, on varmistettava, että ajoneuvojen aiheutta- mat vahingot muuntamoille ovat epätodennäköisiä (Energiateollisuus 2016).
3.1.2 Muuntajatila
Muuntajatilan koko määräytyy muuntajan fyysisten mittojen perusteella, joka puolestaan määräytyy pienjänniteverkon asiakkaiden tehontarpeista. Erikoismuuntajien tapauksessa (esim. 1 kV) muuntajan fyysisiin mittoihin vaikuttaa myös jännitteiden suuruudet ja tarvit- tavien käämien määrä. Esimerkiksi 1/0,4 kV muuntajan mitat ovat hieman pienemmät kuin tavallisella 20/0,4 kV muuntajalla, ja 20/1/0,4 kV kolmikäämimuuntaja on puolestaan tätä noin 20–30 % leveämpi. Mitat 20/1 kV muuntajilla ovat hyvin samankaltaisia 20/0,4 kV muuntajiin nähden, koska koko määräytyy suurimmaksi osaksi yläjännitepuolen mukaan.
Eri valmistajien muuntajat ovat suhteellisen samankokoisia keskenään tietyn nimellisteho- luokan osalta, mikä yksinkertaistaa muuntajatilan suunnittelua. On myös erikoistapauksia, missä muuntajatilan moduulia ei välttämättä tarvita ollenkaan. Tällainen tilanne voi olla esi- merkiksi silloin kun muuntamo toimii pääasiallisessa tarkoituksessaan KJ-haaroituskoppina, ns. kytkemönä.
Muuntajatilan kokoon vaikuttavat toisaalta myös valitut pienjännitteen jakeluratkaisut.
LVDC- ja 1000 V sähkönjakelu voivat tarkoittaa kolmikäämimuuntajan sijoittamista muun- tamolle perinteisen 20/0,4 kV kaksikäämimuuntajan sijaan. Muuntajan ja muuntajatilan ko- koon vaikuttavat lisäksi mahdolliset hajautetun kompensoinnin ratkaisut. Jos loistehoa tai maasulkuvirtaa on tarkoitus kompensoida hajautetusti keskijänniteverkossa, on yksi vaihto- ehto tehdä tämä jakelumuuntamolla. Muuntajasta voidaan tehdä ns. kombimuuntaja, jossa jakelumuuntajaan on yhdistettynä kompensointiyksiköt. Tämä kasvattaa muuntajan kokoa etenkin loistehoa kompensoitaessa. Sekä maasulkuvirran että loistehon kompensointi voi-
daan toteuttaa myös muuntajasta erillisenä yksikkönä samassa muuntajatilassa jakelumuun- tajan kanssa. Tämä on kuitenkin huomioitava moduulin suurempana tilantarpeena.
3.1.3 Hajautettu kompensointi
Hajautetun kompensointiyksikön erilliseen moduuliin vaikuttaa alueen kompensointitarve ja yksikön koko. Kompensoitaessa loistehoa ja maasulkuvirtaa omassa moduulissaan, saattaa sen vähimmäistilantarve kasvaa lähes muuntajatilan veroiseksi. Tarve erilliselle kompen- sointimoduulille voi syntyä, mikäli yksikkö halutaan pitää erillisenä jakelumuuntajasta ja tehdä mahdolliseksi tämän huoltaminen ilman että jakelumuuntajaa kytketään jännitteettö- mäksi.
Hajautettu kompensointi voidaan toteuttaa myös muuntamosta erillisessä kompensointiti- lassa. Näiden tarkoituksenmukaisella sijoittelulla voidaan vaikuttaa mm. verkon topologian myönteiseen kehittymiseen. Viereisten muuntamoiden rakenneratkaisuja voidaan tällaisessa käyttötarkoituksessa keventää erillisillä kompensointiyksiköillä esim. keskijänniteliitäntö- jen ja erottimien määrän suhteen. Myös muuntamoiden sijoituspaikat voivat muodostua eri- laisiksi riippuen kompensointiratkaisuista. Kuvassa 3.3 on havainnollistettu kompensoin- tiyksikön (ympyröity katkoviivoilla) vaikutusta muuntamoiden keskijänniteliitäntöihin.
Kuva 3.3. Kompensointiyksikön vaikutus alueen KJ-verkon muuntamoiden rakenneratkaisuihin.
3.1.4 Keskijänniteverkon kytkinlaitejärjestelyt
Keskijänniteverkon käytettävyysodotukset vaikuttavat olennaisesti muuntamoiden rakentee- seen. Erottimien määrä vaikuttaa KJ-keskuksen vähimmäisleveyteen ja verkon ohjausmah- dollisuuksiin. Erottimet toimivat keskijänniteverkon tavallisimpina kytkinlaitteina ja niillä pystytään vaikuttamaan asiakkaiden kokemien sähkökatkojen kestoihin (Lakervi ja Partanen
2008). Erottimet voidaan jakaa ohjattavuudeltaan käsin ohjattaviin ja kauko-ohjattaviin erot- timiin.
Taloudellisuuden näkökulmasta tarkasteltuna erottimia on perusteltua sijoittaa verkkoon vain, mikäli niiden avulla pienenevien verkon KAH-kustannuksien muutos on suurempi kuin erottimien oma elinkaarikustannus. Verkon käytettävyyden näkökulmasta erottimia voisi olla perusteltua sijoittaa jopa joka muuntamolle, vaikka tämä ei välttämättä ole aina taloudellisin ratkaisu. Keskeytyskustannusten näkökulmasta erottimen kannattavuus on sitä suurempi, mitä useammin verkossa ilmenee vikoja, mitä suurempi aikasäästö viankesto- ajassa erottimella saavutetaan ja mitä enemmän johdolla siirretään tehoa. Erottimet pyritään sijoittamaan usein keskeisimpiin verkon solmupisteisiin esimerkiksi keskijänniteverkon ja- korajoille. Tämän lisäksi jakelumuuntaja voidaan varustaa erottimella muuntajan koosta ja kriittisyydestä riippuen. Haja-asutusalueiden ilmajohtoverkoissa muuntajilla ei välttämättä ole omaa erotinta. Maakaapeliverkossa erottimet sijoitetaan lähes poikkeuksetta muuntamoi- den ja kytkemöiden sisätiloihin KJ-keskuksiin.
Jakeluverkon yleissuunnittelussa muodostetaan sähköasemien ympärille ja välille tavoitteet täyttävä keskijänniteverkkoratkaisu. Jotta erotinjärjestelyitä pystytään tarkastelemaan katta- vasti, on ensin muodostettava suunniteltavan verkon alustava topologia. Erottimille on tun- nistettu kolme tärkeää sijoituskohdetta:
Tärkeät runkojohtojen risteyskohdat (jakorajat, kytkinasemat) Muuntamot, joilta haarautuu varayhteys toiseen verkonosaan Muuntamot, jotka syöttävät kriittisiä kohteita
Runkojohtojen risteyskohtiin on usein perusteltua sijoittaa erottimet kaikkiin runkojohtojen suuntiin verkon paremman käytettävyyden mahdollistamiseksi. Mitä pienempiin erotinvä- leihin verkko voidaan jakaa, sitä pienemmäksi vika-alueet ja KAH-kustannukset muodostu- vat. Lisäksi jos erottimet eivät ole kauko-ohjattavia, erottimien maantieteellisellä läheisyy- dellä saadaan lyhennettyä keskeytysaikaa korjausmiehistön operoinnin nopeutuessa.
Varayhteytenä toimivan haarautumisen omaavat muuntamot ovat jakorajoja joko omaan tai viereisen yhtiön verkonosaan. Jakorajoilla käytetään tyypillisesti kauko-ohjattuja erottimia.
Tämä edesauttaa keskeytystilanteissa vikojen rajaamista ja sähköjen palauttamista mahdol- lisimman nopeasti alueelle. Normaalin KAH-perusteisen tarkastelun lisäksi erottimien pai- kat voivat määräytyä verkossa olevien kriittisten kuormitusten perusteella.
tällä voidaan pienentää keskeytyshaittaa asiakkaalla. Yhteiskunnalle kriittisiä kohteita ovat esimerkiksi vedenpumppaamot ja tukiasemat.
Kannattavaa erotinmäärää voidaan tarkastella erotinväli kerrallaan, kun tiedetään erottimien välille jäävän verkon pituus ja alueen tehotarve. Tilannetta on havainnollistettu kuvan 3.4 mukaisella erottimien E1 ja E2 välisellä esimerkkierotinvälillä. Erotinvälin kokonaispituus lkok jakautuu seitsemään muuntamoväliin (l1 –l7) ja erotinvälin kokonaisteho Pkok kahdek- saan muuntamoon (P1 –P8).
Kuva 3.4. Esimerkkierotinväli keskijänniteverkossa.
Johdon vikaantuessa koetut keskeytysajat jaotellaan erottimien ohjaamiseen kuluviin kyt- kentäaikoihin ja vian korjausaikaantkorj. Kytkentäaika riippuu siitä, tehdäänkö kytkentä erot- timellatek vai kiskoliitännän kauttatkk. Kytkentäaikojentkk jatek ero vaihtelee tapauksittain.
Kiskoliitännän aukaisemiseen liittyy kiskon jännitteettömyyden toteaminen, maadoitusten ja työskentelysuojan asennus sekä kiskoliitäntöjen aukaisu. Tyypillisesti nämä vaiheet vievät aikaa 15–30 minuuttia. Kuvan 3.4 erotinvälin muuntamoille pysyvistä vioista aiheutuva kes- keytyshaitta voidaan esittää yhtälöllä (3.1)
= + (3.1)
missä
PV = pysyvien keskeytysten vikataajuus [kpl/km, a]
lkok =tarkasteltavan erotinvälin keskijänniteverkon kokonaispituus [km]
lmuu =tarkasteltavan erotinvälin ulkopuolisen keskijänniteverkon ko- konaispituus [km]
tkk =erotinvälin kokeman keskeytyksen kytkentäaika kiskoliitän- nällä [h]
tek =erotinvälin kokeman keskeytyksen kytkentäaika erottimella [h]
cKAH = keskeytyksestä aiheutuneen haitan arvostus [€/kW]
Pkok = tarkasteltavan erotinvälin kokonaistehonkulutus [kW].
Erottimen E3 sijoittamisen kannattavuutta tämän esimerkkirunkojohdon erotinvälille voi- daan havainnollistaa kuvalla 3.5. Erotin jakaa erotinvälin laskentavyöhykkeisiin, ja näin ol- len kuvan perusteella tästä voidaan muodostaa yhtälöt erottimen sijoittamisen jälkeen pysy-
